Tiến bộ mới trong kỹ thuật in 3D bằng mực silicone

Trước khi bước vào phòng phẫu thuật, bác sĩ sẽ thực hành trên mô hình được xây dựng dựa trên tri thức đã biết về bộ não của bệnh nhân. Song những mô hình hiện nay không mô phỏng chính xác mạch máu não. Nếu bác sĩ có được bản sao bộ não của mỗi bệnh nhân chân thực để luyện tập trước, thì những sai sót khi cầm dao mổ thực tế sẽ giảm đáng kể.

Điều này có thể trở thành hiện thực nhờ công nghệ in 3D.

In 3D là một quy trình in chồng từng lớp nhựa nóng chảy lên nhau; khi vật liệu đông đặc lại, chúng sẽ tạo thành cấu trúc tự đứng được. Không may, nhiều vật liệu mềm không tan chảy và đông đặc như cách của sợi nhựa mà máy in 3D thường dùng. Những vật liệu mềm như silicone chỉ có thể đem in một lần ở trạng thái lỏng vì khi đông lại thì nó không mềm ra nữa.

Vậy làm sao để tạo ra một hình 3D phức tạp từ chất lỏng mà chúng không bị đổ sụp?

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp gọi là in 3D nhúng. Với kỹ thuật này, việc in được thực hiện trong bể chứa vật liệu hỗ trợ thứ hai, vật liệu hỗ trợ bao quanh vòi in và giữ mực lại ngay sau khi vòi phun rời đi. Những hình thù phức tạp từ chất lỏng sẽ được giữ trong không gian ba chiều cho tới khi tới lúc cấu trúc in cứng lại. In 3D nhúng rất hiệu quả để xây dựng cấu trúc từ một loạt vật liệu mềm khác nhau như hydrogel, các hạt siêu nhỏ và thậm chí cả tế bào sống.

Tuy nhiên, dùng silicone để in vẫn còn nhiều thách thức. Silicone lỏng là một loại dầu, trong khi hầu hết vật liệu hỗ trợ đều có gốc nước. Dầu và nước có sức căng bề mặt cao, khiến các giọt dầu tụ thành từng chấm tròn trong nước. Nó cũng khiến cấu trúc silicone in 3D biến dạng, ngay cả trong môi trường hỗ trợ.

Tệ hơn, lực căng bề mặt khiến silicone có đường kính nhỏ vỡ thành giọt khi đang in. Rất nhiều nghiên cứu đã tập trung làm sao để làm ra silicone in được mà không cần vật liệu hỗ trợ, nhưng việc điều chỉnh quá đà cũng khiến những tính chất được quan tâm của silicone bị biến đổi, như độ mềm và tính co giãn.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Florida đã tìm cách giải quyết vấn đề bằng cách phát triển một vật liệu hỗ trợ làm từ dầu silicone.

Hầu hết các loại mực silicone có tính chất hóa học tương tự với vật liệu hỗ trợ silicone, nhờ đó lực căng bề mặt sẽ giảm đáng kể, đồng thời vật liệu này cũng đủ khác để tách rời khỏi vật thể được in sau khi quá trình in hoàn thành. Sau nhiều thử nghiệm, họ đã tìm ra phương pháp phù hợp nhất là làm ra một nhũ tương đặc gồm dầu silicone và nước, nó giống như mayonnaise trong suốt, các giọt nước siêu nhỏ ở trong dầu silicone liên tục chuyển động. Phương pháp này được gọi là AMULIT.

Nhờ AMULIT, chúng ta có thể in silicone với độ phân giải cao, tạo ra những đặc điểm có đường kính nhỏ cỡ 8 micromet. Cấu trúc in ra đều giữ được tính co giãn mà vẫn bền như cấu trúc định hình theo cách truyền thống.

Thành quả này cho phép các nhà khoa học in 3D những mô hình mạch não của bệnh nhân chính xác dựa trên bản quét 3D, cũng như mô hình van tim dựa trên giải phẫu của người.

Silicone là thành phần quan trọng trong vô số sản phẩm, từ các món đồ dùng hằng ngày như dụng cụ làm bếp và đồ chơi cho tới những công nghệ tiên tiến trong ngành điện, hàng không và y tế.

Các sản phẩm silicone thường được sản xuất bằng cách rót hay bơm silicone lỏng vào khuôn rồi lấy sản phẩm ra sau quá trình đông đặc. Chi phí và độ khó để tạo ra khuôn đúc có độ chính xác cao khiến các nhà sản xuất không thể làm ra sản phẩm có các kích thước, hình dạng và thiết kế đa dạng. Một cản trở khác là làm sao lấy cấu trúc silicone tinh tế ra mà không làm hỏng nó, và lỗi sản xuất tăng lên khi đúc những cấu trúc có độ phức tạp cao.

Nếu vượt qua được những thách thức này thì công nghệ dựa trên silicone tiên tiến sẽ phát triển trong ngành chăm sóc y tế. Khi làm ra được bộ phận cấy ghép cá nhân hóa hoặc mô hình phỏng các cấu trúc sinh lý của mỗi bệnh nhân, việc chữa trị cho bệnh nhân sẽ tiến lên một nấc thang mới.